处理缺失数据：识别

载入数据并对其结构、维度和数据类型进行初步检查后，数据清洗的下一个实际步骤是处理缺失数据。数据集很少是完整的，在您决定采取合适的处理策略之前，了解数据在哪里以及如何缺失是很必要的。如果忽略缺失值，它们可能扭曲统计汇总、使某些算法失效，并导致错误的结论。

Pandas中什么是缺失数据？

Pandas主要使用特殊的浮点值NaN（Not a Number，非数值）来表示缺失数据。此值源自NumPy，并在Python的许多数据科学工具中是标准用法。需要认识到NaN的行为有些特别。例如，NaN不被认为等于自身（np.nan == np.nan 的结果是 False）。

Python内置的None对象也可能出现在DataFrame中，通常是在object数据类型的列里。旨在检测缺失数据的Pandas函数通常能同时处理NaN和None。有时，数据集可能使用自定义占位符来表示缺失值（如'?'、'missing'、999、-1）。为了让标准的Pandas方法正常工作，这些占位符需要在加载数据时或加载后转换为NaN（通常使用pd.read_csv中的na_values参数或.replace()方法）。

检测缺失值

Pandas提供了直接的方法来检测缺失值。.isnull()方法返回一个与原始DataFrame形状相同的布尔型DataFrame，其中True表示缺失值（NaN或None），False表示非缺失值。

import pandas as pd
import numpy as np

# 示例DataFrame（假设它已加载为 'df'）
data = {'StudentID': [101, 102, 103, 104, 105],
        'Score': [85, np.nan, 77, 92, 88],
        'Grade': ['B', 'C', np.nan, 'A', 'B'],
        'Attendance': [0.95, 0.80, 0.85, np.nan, 0.92]}
df = pd.DataFrame(data)

# 检查缺失值
print(df.isnull())

在我们的示例df上运行df.isnull()会生成：

   StudentID  Score  Grade  Attendance
0      False  False  False       False
1      False   True  False       False
2      False  False   True       False
3      False  False  False        True
4      False  False  False       False

还有一个等效的方法.isna()，它执行的功能完全相同。反之，.notnull()（及其等效的.notna()）对于非缺失值返回True，对于缺失值返回False。

统计缺失值

虽然布尔型DataFrame很有用，但你通常需要汇总信息。对.isnull()的结果应用.sum()方法，会按列聚合True值（这些值被视为1），从而得到每列中缺失值的总数。

# 统计每列的缺失值
missing_counts = df.isnull().sum()
print(missing_counts)

这将输出：

StudentID     0
Score         1
Grade         1
Attendance    1
dtype: int64

这立即告诉我们，'Score'、'Grade'和'Attendance'列各有一个缺失值，而'StudentID'列没有。

为了获取整个DataFrame中缺失值的总数，你可以再次应用.sum()：

# DataFrame中缺失值的总数
total_missing = df.isnull().sum().sum()
print(f"Total missing values in the DataFrame: {total_missing}")
# 输出: DataFrame中缺失值的总数: 3

计算缺失数据的百分比

计数很有用，但了解缺失数据的比例通常更有助于分析，尤其在大型数据集中。在包含数百万条目的列中，少量缺失值可能微不足道，而在仅有数百条目的列中，相同数量的缺失值可能就值得注意了。

你可以通过将.isnull().sum()得到的每列缺失值计数除以总行数（使用len(df)或df.shape[0]获取），再乘以100来计算每列缺失值的百分比。

# 计算每列缺失值的百分比
total_rows = len(df)
missing_percentage = (df.isnull().sum() / total_rows) * 100
print(missing_percentage)

对于我们的示例df：

StudentID      0.0
Score         20.0
Grade         20.0
Attendance    20.0
dtype: float64

这表明'Score'、'Grade'和'Attendance'列中20%的条目缺失。

缺失值数量的可视化

可视化可以快速了解缺失数据的程度，尤其在处理多列数据时。一个显示每列缺失值数量或百分比的简单条形图很有效。

你可以这样使用Plotly创建一个缺失百分比的条形图：

# （计算missing_percentage的代码如上所示）

# 创建一个Plotly条形图（如果需要，请替换为实际图表生成代码）
# 使用计算出的 'missing_percentage' Series 的示例

示例DataFrame中每列缺失值的百分比。没有缺失数据的列显示0%。

对于更复杂的数据集，可视化缺失数据的模式（例如，使用Seaborn中的热图，如sns.heatmap(df.isnull(), cbar=False)）可以显示缺失值是否倾向于在不同列的相同行中出现，这可能表明数据收集中存在潜在的关联或系统性问题。

识别数据缺失的位置和数量是必要的首要步骤。有了这些了解，你就可以继续学习下一节，该节将讨论处理这些已识别缺失值的策略，例如删除它们或使用插补技术填充它们。